Suppression of Second-Order Harmonic Current for Droop-Controlled Distributed Energy Resource Converters in DC Microgrids

Droop-controlled distributed energy resource converters in dc microgrids usually show low output impedances. When coupled with ac systems, second-order harmonics typically appear on the dc-bus voltage, causing significant harmonic currents at the converters resource side. This paper shows how to reduce such undesired currents by means of notch filters and resonant regulators included in the converters control loops. The main characteristics of these techniques in terms of harmonic attenuation and stability are systematically investigated. In particular, it is shown that the voltage control-loop bandwidth is limited to be below twice the line frequency to avoid instability. Then, a modified notch filter and a modified resonant regulator are proposed, allowing to remove the constraint on the voltage loop bandwidth. The resulting methods (i.e., the notch filter, the resonant regulator, and their corresponding modified versions) are evaluated in terms of output impedance and stability. Experimental results from a dc microgrid prototype composed of three dc-dc converters and one dc-ac converter, all with a rated power of 5kW, are reported

Plug and Play DC-DC Converters for Smart DC Nanogrids with Advanced Control Ancillary Services

This paper gives a general view of the control possibilities for dc-dc converters in dc nanogrids. A widely adopted control method is the droop control, which is able to achieve proportional load sharing among multiple sources and to stabilize the voltage of the dc distribution bus. Based on the droop control, several advanced control functions can be implemented. For example, power-based droop controllers allow dc-dc converters to operate with power flow control or droop control, whether the hosting nanogrid is operating connected to a strong upstream grid or it is operating autonomously (i.e., islanded). Converters can also be equipped with various supporting functions. Functions that are expected to play a crucial role in nanogrids that fully embrace the plug-and-play paradigm are those aiming at the monitoring and tuning of the key performance indices of the control loops. On-line stability monitoring tools respond to this need, by continuously providing estimates of the stability margins of the loops of interest; self- tuning can be eventually achieved on the basis of the obtained estimates. These control solutions can significantly enhance the operation and the plug-and-play feature of dc nanogrids, even with a variable number of hosted converters. Experimental results are reported to show the performance of the control approaches

Analysis of an On-Line Stability Monitoring Approach for DC Microgrid Power Converters

An online approach to evaluate and monitor the stability margins of dc microgrid power converters is presented in this paper. The discussed online stability monitoring technique is based on the Middlebrook's loop-gain measurement technique, adapted to the digitally controlled power converters. In this approach, a perturbation is injected into a specific digital control loop of the converter and after measuring the loop gain, its crossover frequency and phase margin are continuously evaluated and monitored. The complete analytical derivation of the model, as well as detailed design aspects, are reported. In addition, the presence of multiple power converters connected to the same dc bus, all having the stability monitoring unit, is also investigated. An experimental microgrid prototype is implemented and considered to validate the theoretical analysis and simulation results, and to evaluate the effectiveness of the digital implementation of the technique for different control loops. The obtained results confirm the expected performance of the stability monitoring tool in steady-state and transient operating conditions. The proposed method can be extended to generic control loops in power converters operating in dc microgrids

A Selective Harmonic Compensation and Power Control Approach Exploiting Distributed Electronic Converters in Microgrids

Made available in DSpace on 2020-12-12T01:39:10Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2020-02-01 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) Norges Forskningsråd This paper proposes an approach to obtain harmonic compensation and power control by exploiting the electronic power converters deployed in low-voltage microgrids. By the proposed approach, distributed harmonic current compensation is achieved without interfering with the converter's power exchange involved in interfacing the local energy resources (e.g., renewable sources, storage devices) with the grid. The control framework refers to a master/slave microgrid architecture where distributed power converters play as slave units, coordinated by a centralized controller; the data exchange among agents occurs periodically, concerns current magnitudes only, and can be fulfilled by communication means of limited performance. The paper shows the achievable results in terms of power quality improvements and discusses the challenges related with the aimed objective. The proposed methodology is evaluated by means of simulation and experimental tests on a single-phase low-voltage microgrid prototype comprising nonlinear loads and two converters. Different cases of generation limits, load variations, voltage levels, voltage distortions, and line parameters are considered in the tests reported. In addition, the robustness of the proposed method to non-ideal and faulty communication links is discussed and shown by means of experimental results. Group of Automation and Integrated Systems Sao Paulo State University (UNESP), Av. Três de Março 511, 18087-180 Sorocaba Department of Electric Power Engineering Norwegian University of Science & Technology (NTNU), O.S. Bragstads plass 2 Graduate Program in Electrical Engineering Federal University of Minas Gerais (UFMG), Av. Antônio Carlos 6627 Department of Management and Engineering University of Padova, Stradella San Nicola 3 Group of Automation and Integrated Systems Sao Paulo State University (UNESP), Av. Três de Março 511, 18087-180 Sorocaba FAPESP: 2016/08645-9 FAPESP: 2017/24652-8 FAPESP: 2018/22172-1 Norges Forskningsråd: f261735/H3

Control of Electronic Power Converters for Low-Voltage Microgrids

The dissertation focuses on the management of master/slave microgrid architectures, where distributed energy resources (DERs) are interfaced to the grid by means of conventional current-driven power electronics interfaces and the microgrid is interfaced to the mains via a voltage-driven utility interface converter. The so called power-based control is proposed to regulate the contribution to microgrid needs from the energy resources that are available. The control approach ensures an accurate active and reactive power sharing among DERs that takes into account both local (i.e., DER level) and global (i.e., microgrid level) constraints. The described general approach to microgrid control is underpinned by the conservative power theory, which offers a meaningful, robust, and computationally efficient method to manage power quantities referring to different grid nodes.La tesi è focalizzata sulla gestione delle architetture di microrete di tipo master/slave, dove le risorse energetiche distribuite (DERs) sono connesse alla microrete per mezzo di convenzionali convertitori elettronici di interfaccia comandati in corrente mentre la microrete è interfacciata alla rete principale tramite un convertitore di interfaccia comandato in tensione. Il cosiddetto power-based control è utilizzato per regolare, al punto di saldo della microrete, il contributo di potenza da parte delle risorse energetiche disponibili. L'approccio di controllo garantisce un’accurata suddivisione del fabbisogno di potenza attiva e reattiva tra le DERs, tenendo conto di vincoli sia locali (i.e., a livello di DER) sia globali (i.e., a livello di microrete). L'approccio descritto per il controllo delle microreti si fonda sulla teoria conservativa delle potenze, la quale offre un metodo efficace, robusto e computazionalmente efficiente per la gestione di flussi di potenza controllabili attraverso nodi di rete distribuiti

Control of Electronic Power Converters for Low-Voltage Microgrids

The dissertation focuses on the management of master/slave microgrid architectures, where distributed energy resources (DERs) are interfaced to the grid by means of conventional current-driven power electronics interfaces and the microgrid is interfaced to the mains via a voltage-driven utility interface converter. The so called power-based control is proposed to regulate the contribution to microgrid needs from the energy resources that are available. The control approach ensures an accurate active and reactive power sharing among DERs that takes into account both local (i.e., DER level) and global (i.e., microgrid level) constraints. The described general approach to microgrid control is underpinned by the conservative power theory, which offers a meaningful, robust, and computationally efficient method to manage power quantities referring to different grid nodes.La tesi è focalizzata sulla gestione delle architetture di microrete di tipo master/slave, dove le risorse energetiche distribuite (DERs) sono connesse alla microrete per mezzo di convenzionali convertitori elettronici di interfaccia comandati in corrente mentre la microrete è interfacciata alla rete principale tramite un convertitore di interfaccia comandato in tensione. Il cosiddetto power-based control è utilizzato per regolare, al punto di saldo della microrete, il contributo di potenza da parte delle risorse energetiche disponibili. L'approccio di controllo garantisce un’accurata suddivisione del fabbisogno di potenza attiva e reattiva tra le DERs, tenendo conto di vincoli sia locali (i.e., a livello di DER) sia globali (i.e., a livello di microrete). L'approccio descritto per il controllo delle microreti si fonda sulla teoria conservativa delle potenze, la quale offre un metodo efficace, robusto e computazionalmente efficiente per la gestione di flussi di potenza controllabili attraverso nodi di rete distribuiti

Monitoraggio dei consumi di energia elettrica dei poli didattici DEI e DIE mediante architettura PIN-ENERGY

Questo lavoro di tesi ha permesso la realizzazione di un sistema per il monitoraggio della rete elettrica dei Dipartimenti di Ingegneria dell'Informazione e di Ingegneria Elettrica dell'Università di Padova. L'obiettivo è quello di fornire uno strumento per l'analisi dei flussi di energia all'interno dei Dipartimenti e porre così le basi per ulteriori ricerche nell'ambito delle smart-grid. Nella parte introduttiva viene descritto il progetto all'interno del panorama internazionale. Successivamente si presenta l'architettura adottata per il monitoraggio dei consumi di energia, i dispositivi che la compongono e le loro funzioni. Viene inoltre presentata nel dettaglio l'installazione dell'infrastruttura all'interno dei Dipartimenti. Infine si riportano i primi risultati delle operazioni di monitoraggio eseguite mostrando alcune analisi dei dati raccolti. Il sistema realizzato costituisce una prima interfaccia tra l'infrastruttura elettrica e quella informatica. L'interazione tra i sistemi così ottenuta permette di rilevare in modo diretto lo stato elettrico dei punti monitorati della rete, inoltre rappresenta il punto di partenza verso la gestione automatica delle risorse di una futura micro-smart-gri

Tecniche di misura per la realizzazione di smart meter e sistemi di monitoraggio energetico

Il monitoraggio energetico è uno degli aspetti che ha maggiormente suscitato interesse non solo nel mondo della ricerca ma anche nella popolazione sempre più interessata agli aspetti relativi all'economia dell'energia. In quest'ambito la misura e l'acquisizione dei dati elettrici richiede particolari tecnologie per la sua implementazione poichè l'impiego massivo previsto per il prossimo futuro necessita di costi contenuti a fronte di adeguate prestazioni di misura e capacità computazionale. Infatti il paradigma Smart Grid si è confermato e si sta sviluppando. L'elemento caratterizzante dell'innovazione è l'aggiunta alla tradizionale rete elettrica di una infrastruttura ICT che permette di governare la rete e gestire i flussi di energia sulla base dello stato del sistema elettrico rilevato da una rete di monitoraggio o di misura. Risulta quindi evidente che alla base delle azioni di una smart grid stanno le informazioni fornite dagli \emph{Smart Meter}. Tali dispositivi dispongono oltre alla funzionalità di misura anche della capacità di elaborazione dei dati acquisti al fine della fatturazione e della rilevazione della qualità della energia distribuita. Essi possono anche instaurare una comunicazione con altri dispositivi di tipo intelligente. Questi tipicamente dispongono di funzionalità che permettono loro di gestire autonomamente la situazione in funzione delle indicazioni fornite dal livello superiore. Per questo motivo essi sono a loro volta costituiti da sottosistemi di misura, elaborazione e comunicazione. Oggetto di questo lavoro di tesi è lo studio di alcuni sistemi di meetering, la presentazione di una installazione di un sistema distribuito per il monitoraggio energetico effettuata presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione di Padova, e la progettazione di due prototipi sperimentali finalizzati alla acquisizione delle grandezze elettriche della ret